СПОСОБ РЕНТГЕНОВСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА Российский патент 2011 года по МПК G01T1/16 

Изобретение относится к области регистрации рентгеновского излучения и может быть использовано как в медицинской рентгенографии, так и для досмотра людей в целях безопасности для обнаружения спрятанных на/в теле, в одежде опасных и скрываемых предметов и веществ.

Известны способы рентгеновского контроля тела, которые заключаются в том, что формируют плоский пучок рентгеновского излучения малой мощности, сканируют этим излучением тело, принимают излучение, проходящее через тело, детектором, в котором преобразуют рентгеновское излучение в излучение видимого света и далее в электронные сигналы, которые обрабатывают и формируют изображение в электронном виде, при этом сканирование тела осуществляют перемещением плоского вертикально формируемого пучка излучения и детектора в горизонтальном направлении с помощью электроприводов с шаговыми двигателями (например, патент RU № 2126550, МПК G03B 42/02 от 12.02.99; патент RU № 2261465, МПК G03B 42/02 от 27.09.2005, патент USA № 5959302, МПК G01T 1/185 от 28.09.99). В основном известные способы отличаются конструкцией детектора и методами преобразования рентгеновского излучения в излучение видимого света и далее в электронные сигналы.

Недостатком известных способов рентгеновского контроля тела является то, что при наличии обуви у человека рентгеновское излучение малой мощности не позволяет получать четкое изображение того, что находится в зоне обуви. Это объясняется тем, что, как бы ни располагали пучок рентгеновского излучения, его составные части в известных способах направлены строго горизонтально или близко к горизонтальному и контуры обуви и особенно подошвы являются препятствием к получению четкого изображения.

Вторым недостатком является то, что необходимо осуществлять строгую синхронизацию частот шаговых двигателей, чтобы выдержать одинаковые скорости перемещения источника излучения и детектора, обеспечивая соосность оптической системы. Кроме того, требуется точное согласование шага перемещения с частотой сканирования сигналов считывания с выхода детектора, что определяет наличие сложной электронной схемы управления процессом сканирования.

Наиболее близким решением к предлагаемому способу является решение, описанное в патенте RU № 2257639, МПК H01J 47/02 от 27.07.2005, бюл. № 21. В данном патенте формируют плоский пучок рентгеновского излучения малой мощности, сканируют этим излучением неподвижное тело, принимают и преобразуют его в излучение видимого света, которое преобразуют в электронные сигналы, анализируют их и формируют изображение в электронном виде, при этом формирование плоского пучка рентгеновского излучения осуществляют в горизонтальном направлении с помощью коллиматора, а прием излучения и его преобразование в электронные сигналы осуществляют с помощью детектора, причем сканирование тела осуществляют путем вертикального синхронного перемещения источника излучения, коллиматора и детектора, то есть с одинаковыми скоростями. Одинаковые скорости поддерживаются за счет использования приводов с шаговыми двигателями со специальными схемами управления. Это решение принято за прототип.

Недостатком данного решения является то, что при горизонтальной направленности рентгеновского излучения малой мощности, безопасного для человека, и вертикальном сканировании нельзя получить четкого изображения в зоне обуви, в контуре которой, а особенно в контуре подошвы могут находиться запрещенные вещества и опасные предметы для общества. Эффективность установок, реализованных по данному способу, является низкой и практически неприемлемой в зоне досмотра в аэропортах и таможнях.

Вторым недостатком является то, что необходимо осуществлять строгую синхронизацию частот шаговых двигателей, чтобы выдержать одинаковые скорости перемещения источника излучения, коллиматора и детектора, обеспечивая соосность оптической системы. Кроме того, требуется точное согласование шага перемещения с частотой сканирования сигналов считывания с выхода детектора, что определяет наличие сложной электронной схемы управления процессом сканирования.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности обнаружения опасных предметов и веществ при сканировании тела человека рентгеновским излучением малой мощности и в упрощении системы управления процессом сканирования.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе рентгеновского контроля тела, заключающемся в том, что формируют плоский пучок рентгеновского излучения малой мощности с помощью коллиматора, сканируют этим излучением неподвижное тело, принимают излучение, проходящее через тело, детектором, преобразуют излучение в электронные сигналы, анализируют их и формируют изображение в электронном виде, причем сканирование тела осуществляют путем вертикального синхронного перемещения источника рентгеновского излучения, коллиматора и детектора, при этом источник излучения, коллиматор и детектор перемещают в вертикальном направлении с разными скоростями, сохраняя соосность оптической системы излучатель-коллиматор-детектор. Скорости вертикального перемещения детектора, коллиматора и источника излучения связаны выражениями:

где V_∂, V_к, V_из - соответственно скорости вертикального перемещения детектора, коллиматора и источника излучения;

h - расстояние от нижнего крайнего положения детектора до его среднего положения в вертикальном направлении;

L - расстояние между детектором и источником излучения;

l - расстояние между коллиматором и источником излучения;

α - угол между горизонтальной плоскостью и осью оптической системы, изменяющийся в процессе сканирования от +15° до -15° при одном направлении сканирования и от -15° до +15° при обратном направлении сканирования.

Соосность оптической системы излучатель-коллиматор-детектор обеспечивают путем их жесткого закрепления на специальной балке, которую перемещают в вертикальном направлении в процессе сканирования, при этом ее концы дополнительно поворачивают в вертикальной плоскости. Перемещение специальной балки в вертикальном направлении осуществляют с помощью системы канатов, связанных с приводом через систему роликов, расположенных на крышке и основании комплекса и на балке. Поворот концов специальной балки в вертикальной плоскости осуществляют за счет шарнирной связи их с каретками, одну из которых перемещают вертикально по жесткой стойке, а другую по качающемуся в вертикальной плоскости коромыслу, при этом перемещение первой каретки осуществляют с помощью дополнительного каната системы канатов.

Пример осуществления способа поясняется чертежами:

на фиг.1 приведена общая структура, поясняющая принцип формирования рентгеновского излучения малой мощности, его прохождения через тело человека, преобразования в детекторе и окончательного воспроизведения на компьютере электронного изображения;

на фиг.2, 3, 4 приведена кинематическая схема расположения системы излучатель-коллиматор-детектор соответственно в среднем, верхнем и нижнем положениях при сканировании;

на фиг.5 схематически показана специальная балка (вид сверху фиг.1), на концах которой расположены и жестко закреплены источник рентгеновского излучения и детектор, а между ними коллиматор, формирующий узкий горизонтальный пучок рентгеновского излучения;

на фиг.6 показано геометрическое расположение специальной балки в среднем и нижнем крайних положениях с соответствующими размерами.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - специальная балка; 2 - источник рентгеновского излучения; 3 - коллиматор; 4 - зона расположения человека, 5 - человек, 6 - детектор, например представляющий собой герметичный корпус, заполненный газом и позволяющий вводить рентгеновское излучение, при этом в корпусе размещен плоский конденсатор с расположенными параллельно пучку излучения с обеих сторон от него сплошным анодом и катодом, разбитыми на полоски, связанными с накопительными конденсаторами, заряды с которых считываются электроникой и обрабатываются компьютером, причем обкладки плоского конденсатора подключаются к высоковольтному источнику напряжения; 7 - компьютер, 8 - электродвигатель; 9 - редуктор; 10 - канаты; 11, 17 - ролики, закрепленные на основании и крышке комплекса; 12 - шарнир, к которому закреплен один из концов каната 10, второй конец которого закреплен к специальной балке между коллиматором 3 и детектором 6; 13 - ролик, закрепленный на специальной балке 1 вблизи источника рентгеновского излучения 2; 14 - кулиса, связанная через шарнир 22 с основанием комплекса с возможностью поворота в вертикальной плоскости; 15 - вторая каретка, установленная на кулисе 14 с возможностью вертикального перемещения по кулисе и шарнирно связанная со специальной балкой 1 через шарнир 16, который расположен между коллиматором 3 и источником излучения 2; 18 - вертикальная стойка, 19 - первая каретка, установленная на стойке 18 и связанная через шарнир 21, ролики 17 с дополнительным канатом 10 и через шарнир 20 с одним из концов специальной балки 1; NN (фиг.6) - уровень расположения подошвы обуви человека относительно горизонтальной плоскости, на которой находится детектор в нижнем крайнем положении; Aо, Во, Со - место нахождения соответственно детектора, коллиматора и источника рентгеновского излучения на специальной балке, находящейся в среднем вертикальном положении при сканировании; А, В, С - место нахождения соответственно детектора, коллиматора и источника рентгеновского излучения на специальной балке, находящейся в нижнем крайнем положении при сканировании; h - расстояние от нижнего крайнего положения детектора до его среднего положения в вертикальном направлении; L - расстояние между детектором и источником излучения; l - расстояние между коллиматором и источником излучения; α - угол между горизонтальной плоскостью и осью оптической системы, изменяющийся в процессе сканирования.

Процесс контроля тела человека по данному способу осуществляется следующим образом. После того как человек 5 займет соответствующее положение в зоне 4 измерительного комплекса (фиг.1), включают в работу источник рентгеновского излучения 2 и перемещают источник излучения 2, коллиматор 3 и детектор 6 в вертикальном направлении с разными скоростями, при этом сохраняют соосность оптической системы «излучатель-коллиматор-детектор». Рентгеновское излучение, проходя коллиматор 3, формируется в виде плоского горизонтального пучка и далее через тело человека поступает в детектор 6, в котором под воздействием высоковольтного напряжения изменяются величины зарядов на накопительных конденсаторах, что фиксируется электроникой, и в компьютере 7 электронные сигналы преобразуются в видимое изображение.

Скорости вертикального перемещения источника излучения, коллиматора и детектора связаны выражениями:

где V_∂, V_к, V_из - соответственно скорости вертикального перемещения детектора, коллиматора и источника излучения;

h - расстояние от нижнего крайнего положения детектора до его среднего положения в вертикальном направлении (фиг.6);

L - расстояние между источником излучения и детектором по оптической оси системы «излучатель-коллиматор-детектор»;

l - расстояние между источником излучения и коллиматором по оптической оси системы «излучатель-коллиматор-детектор»;

α - угол между горизонтальной плоскостью и оптической осью системы «излучатель-коллиматор-детектор», находящейся в нижнем фиксированном положении. Указанные скорости реализуются кинематической схемой, приведенной на фиг.2, 3, 4 соответственно в среднем, крайнем верхнем и крайнем нижнем положениях, а соосность системы излучатель-коллиматор-детектор обеспечивается жестким креплением излучателя, коллиматора и детектора на специальной балке 1 (фиг.5), которую перемещают в вертикальном направлении при сканировании, при этом ее концы дополнительно поворачивают в вертикальной плоскости.

Это происходит следующим образом. Пусть происходит перемещение специальной балки 1 из среднего положения (фиг.2) в крайнее верхнее (фиг.3). Двигатель 8 передает через редуктор 9 движение канату 10, который через ролики 17 тянет первую каретку 19 по вертикальной стойке 18 вверх. Каретка 19 тянет за собой вверх левый конец балки 1, одновременно через шарнир 20 поворачивая его в вертикальной плоскости. Вторая часть каната 10 через ролики 11, 13 и шарнир 12 поднимает второй конец балки 1, при этом вторая каретка 15 перемещается вверх по кулисе 14 и за счет шарнирной связи 16 обеспечивает поворот второго конца специальной балки 1. При перемещении балки 1 от среднего положения (фиг.2) в крайнее нижнее положение (фиг.4) все будет происходить в обратном направлении, только поворот правого края балки 1 будет дополнительно осуществляться за счет поворота коромысла 14 в вертикальной плоскости, используя шарнир 22. Уровень обуви человека NN (фиг.6) в измерительном комплексе находится выше уровня детектора 6, когда он находится в нижнем крайнем положении, поэтому рентгеновское излучение в процессе сканирования будет просвечивать обувь сверху, тем самым на компьютерном изображении отразится все, что находится внутри обуви и в подошве.

По данному способу была изготовлена рентгеновская установка со следующими данными: тип рентгеновской лампы - RTM 101 SH06-1,2 с дозой облучения после коллиматора в 0,5 мкЗв (микрозиверта); электродвигатель (5 кВт, n=2850 об/мин); L=2 м; l=0,8 м; h=1 м; α=±15°, при этом зафиксированы скорость вертикального перемещения детектора V=~40 мм/с и скорость вертикального перемещения источника излучения V_из=~20 мм/с, что соответствует времени одноразового сканирования в 5 с. Это время может легко быть изменено путем изменения коэффициента передачи редуктора, не нарушая процесса плавного перемещения балки. С другой стороны, отсутствует, как таковая, система управления вертикальным перемещением детектора, коллиматора и источника излучения. Все управление сканированием сводится к включению электропривода на заданное время. Проведенные испытания на различных типах обуви с пластмассовыми ножами в подметках, со ступинаторами в виде железных прокладок, а также с рядом наркотических веществ показали хорошую обнаруживаемость этих материалов и веществ.

Изобретение относится к области регистрации рентгеновского излучения и может быть использован как в медицинской рентгенографии, так и для досмотра людей в целях безопасности для обнаружения спрятанных на/в теле, в одежде опасных и скрываемых предметов и веществ. Технический результат - повышение эффективности обнаружения опасных предметов и веществ при сканировании тела человека малодозным рентгеновским излучением. Формируют плоский пучок рентгеновского излучения малой мощности с помощью коллиматора, сканируют этим излучением неподвижное тело, принимают излучение, проходящее через тело, детектором, преобразуют излучение в электронные сигналы, анализируют их и формируют изображение в электронном виде, причем сканирование тела осуществляют путем вертикального синхронного перемещения источника рентгеновского излучения, коллиматора и детектора, при этом источник излучения, коллиматор и детектор перемещают в вертикальном направлении с разными скоростями, сохраняя соосность оптической системы излучатель-коллиматор-детектор. Соосность оптической системы излучатель-коллиматор-детектор обеспечивают путем их жесткого закрепления на специальной балке, которую перемещают в вертикальном направлении в процессе сканирования, при этом ее концы дополнительно поворачивают в вертикальной плоскости. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ рентгеновского контроля тела человека, заключающийся в том, что формируют плоский пучок рентгеновского излучения малой мощности, сканируют этим излучением неподвижное тело, принимают излучение, проходящее через тело, преобразуют его в излучение видимого света, которое преобразуют в электронные сигналы, анализируют их и формируют изображение в электронном виде, при этом формирование плоского пучка рентгеновского излучения осуществляют в горизонтальном направлении с помощью коллиматора, а прием излучения и его преобразование в электронные сигналы осуществляют с помощью детектора, которые преобразуют в видимое изображение с помощью компьютера, причем сканирование тела осуществляют путем вертикального перемещения источника рентгеновского излучения, коллиматора и детектора, отличающийся тем, что источник излучения, коллиматор и детектор перемещают в вертикальном направлении с разными скоростями, при этом сохраняют соосность оптической системы «излучатель-коллиматор-детектор».

2. Способ рентгеновского контроля тела человека по п.1, отличающийся тем, что скорости вертикального перемещения источника излучения, коллиматора и детектора связаны выражениями
V_∂= K₁·V_из, при K₁=h/(h-L·sinα)
V_∂=K₂·V_к, при K₂=h/[h-(L-l)·sinα],
где V_∂, V_к, V_из - соответственно скорости вертикального перемещения детектора, коллиматора и источника излучения;
h - расстояние от нижнего крайнего положения детектора до его среднего положения в вертикальном направлении;
L - расстояние между источником излучения и детектором по оптической оси системы «излучатель-коллиматор-детектор»;
l - расстояние между источником излучения и коллиматором по оптической оси системы «излучатель-коллиматор-детектор»;
α - угол между горизонтальной плоскостью и оптической осью системы «излучатель-коллиматор-детектор», находящейся в нижнем фиксированном положении.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что угол между горизонтальной плоскостью и оптической осью системы «излучатель-коллиматор-детектор» в процессе сканирования изменяют от 15 до минус 15 градусов при одном направлении сканирования и от минус 15 до плюс 15 градусов при обратном направлении сканирования.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что соосность системы «излучатель-коллиматор-детектор» при перемещении обеспечивают путем их жесткого закрепления на специальной балке, которую перемещают в вертикальном направлении, при этом ее концы дополнительно поворачивают в вертикальной плоскости.

5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что перемещение специальной балки в вертикальном направлении осуществляют путем системы канатов, связанных с приводом через систему роликов, расположенных на балке, в основании и крышке измерительного комплекса.

6. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что поворот концов специальной балки в вертикальной плоскости в процессе ее перемещения осуществляют за счет шарнирной связи их с каретками, одну из которых перемещают вертикально по неподвижной стойке, а другую по качающемуся в вертикальной плоскости коромыслу, при этом перемещение первой каретки осуществляют через дополнительный канат, связанный с приводом.